張華輝, 羅明強(qiáng), 李東輝, 種永芳, 部德才

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連　116622)

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不同體積分?jǐn)?shù)羰基鐵粉對(duì)磁流變液性能的影響

張華輝, 羅明強(qiáng), 李東輝, 種永芳, 部德才

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連116622)

以羰基鐵粉為磁性顆粒,二甲基硅油為載液,十二烷基硫酸鈉為表面活性劑,納米SiO2和聚乙烯吡咯烷酮為添加劑,通過(guò)攪拌分散的方法制備出4份不同體積分?jǐn)?shù)的羰基鐵粉的磁流變液。通過(guò)自然沉降觀測(cè)法和MCR-301模塊化智能型流變儀檢測(cè)磁流變液的沉降穩(wěn)定性、零場(chǎng)黏度和磁流變性能。結(jié)果表明:鐵粉體積分?jǐn)?shù)為35%的磁流變液具有最低的沉降率、為8.6%,有最大的剪切應(yīng)力、為31.33 kPa,但零場(chǎng)黏度也相對(duì)較大、為4.4 Pa·s,靜置2個(gè)月后沒(méi)有板結(jié)；而鐵粉體積分?jǐn)?shù)為20%的磁流變液具有最高的沉降率、為17.7%,最低的零場(chǎng)黏度、為0.8P a·s,最小的剪切應(yīng)力、為7.48 kPa,靜置2個(gè)月后輕微板結(jié),輕微攪拌后又重新分散于載液中。在工程應(yīng)用方面,鐵粉體積分?jǐn)?shù)較大的磁流變液使用效果相對(duì)較好。

磁流變液； 羰基鐵粉； 沉降率； 零場(chǎng)黏度； 流變性能

磁流變液( magneto-rheological fluid,MRF) 是一種由微米級(jí)磁性顆粒分散在載液中并加入不同種類的添加劑后形成的穩(wěn)定懸浮體系。其結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1,主要由載液(連續(xù)相)、磁性顆粒(分散相)和添加劑等組成,屬于一種軟磁智能材料。同屬于軟磁智能材料的納米磁性液體與其具有相似的結(jié)構(gòu)組成,但與其有本質(zhì)的區(qū)別,納米磁性液體的磁性顆粒是納米級(jí)顆粒[1],而磁流變液的磁性顆粒是微米級(jí)顆粒。當(dāng)對(duì)磁流變液施加磁場(chǎng)時(shí),磁流變液中所有的磁性顆粒會(huì)排列成鏈狀,導(dǎo)致流體的黏度增大,從液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w；撤銷外加磁場(chǎng)后,磁性顆粒又恢復(fù)到原來(lái)無(wú)序狀態(tài),最終恢復(fù)到液體狀態(tài)[2],這一過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級(jí)內(nèi)。在此過(guò)程中,其各方面性能都發(fā)生顯著變化(如流變學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)等)。隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加,其剪切屈服應(yīng)力也隨之增加[3]。利用磁流變液剪切屈服應(yīng)力的可調(diào)性,可制造各種智能器件，應(yīng)用于汽車工程[4]、抗震減振[5]、輕軌制動(dòng)[6]、建筑工程[7]、生物醫(yī)學(xué)[8]等,磁流變液被認(rèn)為是最具前途的智能材料之一[9]。

圖1　磁流變液的結(jié)構(gòu)組成

本文以羰基鐵粉為分散相的磁性顆粒、二甲基硅油為連續(xù)相的載液、十二烷基硫酸鈉為表面活性劑、納米SiO2和聚乙烯吡咯烷酮為添加劑,采用攪拌分散方法制備不同體積分?jǐn)?shù)羰基鐵粉的磁流變液,探究鐵粉體積分?jǐn)?shù)對(duì)磁流變液性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原材料

使用平均粒徑約為3.24 μm、純度約為97.8%的羰基鐵粉作為分散相的磁性顆粒(陜西興化化學(xué)股份有限公司生產(chǎn))；運(yùn)動(dòng)黏度為500 mm2/s的二甲基硅油作為連續(xù)相的載液(天津博迪化工股份有限公司生產(chǎn))；十二烷基硫酸鈉作為表面活性劑；聚乙烯吡咯烷酮和納米SiO2(平均粒徑20 nm,純度99.5%)作為添加劑,制備鐵粉體積分?jǐn)?shù)依次為20%、25%、30%、35%,載液體積分?jǐn)?shù)依次為75%、70%、65%、60%,添加劑體積分?jǐn)?shù)均為5%的磁流變液，依次記為MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(30%Fe)和MRF4(35%Fe)。

1.2制備工藝及實(shí)驗(yàn)樣品

制備工藝流程如圖2所示,磁流變液的制備大致要經(jīng)歷4個(gè)過(guò)程。具體制備過(guò)程如下:

(1) 將表面活性劑溶于無(wú)水乙醇中,繼而將鐵粉與之混合,攪拌6.5 h(220 r/min)后雙頻超聲分散25 min(頻A 23.13 kHz,頻B 20 kHz),然后真空恒溫干燥3.5 h(0.1 MPa,70 ℃)后,得到塊狀物品甲；

(2) 將物品甲充分研磨并過(guò)200目篩得到粉末乙(經(jīng)表面改性后的羰基鐵粉)；

(3) 將粉末乙與二甲基硅油混合,并加入納米SiO2和聚乙烯吡咯烷酮作為添加劑,得到混合物丙；

(4) 對(duì)混合物丙雙頻超聲分散25 min(頻A為23.13 kHz,頻B為20 kHz),攪拌12 h(220 r/min)后得到圖3所示的磁流變液樣品。

圖2　磁流變液制備工藝流程

圖3　磁流變液樣品圖

1.3檢測(cè)方法

1.3.1沉降穩(wěn)定性

采用自然沉降觀測(cè)法檢測(cè)磁流變液的沉降穩(wěn)定性[10]。首先從4份樣品中各取5 mL液體置于4只帶有刻度的量筒中,做上標(biāo)記并置于水平工作平臺(tái)上,每隔24 h觀察1次沉降情況,并測(cè)量上層清液高度(用量筒刻度對(duì)應(yīng)體積表示)H1占總高度(H=5 mL)的比例,用沉降率W表示樣品的沉降穩(wěn)定性。

1.3.2零場(chǎng)黏度與磁流變性能

使用Anton Paar公司生產(chǎn)的MCR-301模塊化智能型高級(jí)流變儀測(cè)量磁流變液樣品的零場(chǎng)黏度和磁流變性能。

2　檢測(cè)結(jié)果與討論

2.1沉降穩(wěn)定性

采用自然沉降觀測(cè)法檢測(cè)磁流變液的沉降穩(wěn)定性的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　磁流變液沉降率w與時(shí)間t的關(guān)系曲線

由圖4可知： MRF1(20%Fe)在靜置2天內(nèi)沉降率變化緩慢,第2天到第5天沉降速率較大并在第5天以后趨于穩(wěn)定,此時(shí)沉降率約為17.7%；MRF2(25%Fe)在靜置5天內(nèi)變化較緩慢,第5天到第10天沉降速率較大并在第10天以后趨于穩(wěn)定,此時(shí)沉降率約為14.3%；MRF3(30%Fe)和MRF4(35%Fe)在靜置10天內(nèi)變化緩慢,分別在第10天到第13天和第10天到第17天沉降速率較大,并在第13天和第17天以后趨于穩(wěn)定,此時(shí)二者沉降率分別約為11.4%和8.6%。4份樣品放置2個(gè)月后,沉降率無(wú)變化,MRF1(20%Fe)有輕微板結(jié),另外3份沒(méi)有板結(jié)。發(fā)生沉降的根本原因是羰基鐵粉密度[11](約7.87 g/cm3)約為所使用二甲基硅油密度(約0.965～0.975 g/cm3)的8倍。分析認(rèn)為：

(1) 隨著鐵粉體積分?jǐn)?shù)增大,載液體積分?jǐn)?shù)就相應(yīng)減小,可供分離的載液量相應(yīng)減小,用分離載液的百分含量得出的沉降率和沉降速率相應(yīng)減小；

(2) 鐵粉體積分?jǐn)?shù)增大,羰基鐵粒子表面吸附載液量也增大,從而減少了可供分離的載液量；

(3) 隨著鐵粉體積分?jǐn)?shù)的增大,羰基鐵粒子的沉降過(guò)程不僅受重力和載液浮力的作用,還受到相鄰粒子間的擾動(dòng)和下層粒子的阻礙,使得沉降速率變慢。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,鐵粉體積分?jǐn)?shù)越小,沉降速率就越少,因此在靜置同樣時(shí)間后其沉降率越大,達(dá)到完全沉淀的時(shí)間就越少,能穩(wěn)定存放的時(shí)間越短。從沉降率變化趨勢(shì)和達(dá)到完全沉淀所用時(shí)間可知,在這4份樣品中,隨著鐵粉體積分?jǐn)?shù)增大,磁流變液的沉降穩(wěn)定性提高。其中,鐵粉體積分?jǐn)?shù)為35%的磁流變液沉降率最小,沉降穩(wěn)定性比另外3份樣品都好。使用這種沉降穩(wěn)定性較好的磁流變液制備的控制器件將有更長(zhǎng)的使用壽命,服役期更長(zhǎng)。

2.2零場(chǎng)黏度

使用Anton Paar MCR-301流變儀測(cè)得的磁流變液零場(chǎng)黏度η與流變儀轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。

圖5　磁流變液零場(chǎng)黏度η與流變儀剪切速率n的關(guān)系曲線

分別用η1、η2、η3、η4表示MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(25%Fe)、MRF4(30%Fe)的零場(chǎng)黏度。由圖5可知：測(cè)得4份樣品的零場(chǎng)黏度大小順序是η4>η3>η2>η1,η4明顯大于其他3份樣品的零場(chǎng)黏度值；當(dāng)剪切速率小于20/s時(shí),η4>8.2 Pa·s,η3>3.8 Pa·s,η2>2.2 Pa·s,η1>2.0 Pa·s；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于40/s時(shí),η4<6.0 Pa·s,η3<3.0Pa·s,η2<1.8Pa·s,η1<1.7Pa·s。分析認(rèn)為：

(1) 在所測(cè)剪切速率范圍內(nèi),隨著鐵粉體積分?jǐn)?shù)增大,磁流變液的零場(chǎng)黏度相應(yīng)提高；

(2) 4份磁流變液都變現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象,零場(chǎng)黏度隨剪切速率增大而大幅下降。因此可知,在零剪切速率下,高濃度的磁流變液有更高的零場(chǎng)黏度,這有利于提高磁流變液的沉降穩(wěn)定性；

(3) 在低剪切速率下(n<20/s),零場(chǎng)黏度對(duì)鐵粉體積分?jǐn)?shù)很敏感,當(dāng)n=10/s時(shí),η4=12.0 Pa·s,η3=5.0 Pa·s,然而這2份磁流變液鐵粉體積分?jǐn)?shù)的差別僅為5%,這表明當(dāng)鐵粉體積分?jǐn)?shù)大于30%之后,鐵粉的百分含量對(duì)零場(chǎng)黏度的影響效果顯著增大。隨著剪切速率的提高,鐵粉體積分?jǐn)?shù)對(duì)零場(chǎng)黏度的影響作用變小,當(dāng)n>40/s后,4份樣品的零場(chǎng)黏度差值明顯變小且趨于穩(wěn)定。

2.3磁流變性能

使用Anton Paar MCR-301流變儀對(duì)磁流變液進(jìn)行磁流變性能檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6測(cè)得的磁流變液剪切應(yīng)力與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。

圖6　磁流變液剪切應(yīng)力與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖7　磁流變液剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線

分別用τ1、τ2、τ3、τ4表示MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(30%Fe)、MRF4(35%Fe)的剪切應(yīng)力。由圖6知:隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H增加,τ1和τ2數(shù)值幾乎處處相等,它們與τ3、τ4之間的差值隨著H增大而增大；隨著H增加,4份樣品的剪切應(yīng)力相應(yīng)增大,并且高濃度磁流變液的剪切應(yīng)力增加速率要比低濃度磁流變液增加速率更快；當(dāng)H<186 kA/m時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)剪切應(yīng)力的影響效果顯著,但當(dāng)H=186 kA/m后,繼續(xù)增大H,磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)剪切應(yīng)力的影響效果減弱,剪切應(yīng)力幾乎不再隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而增大。

測(cè)得的磁流變液剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。由圖7可知:

(1) 在所測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下,隨著剪切速率的增大,磁流變液的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大,但高濃度磁流變液的剪切應(yīng)力增大速率要比低濃度磁流變液增大速率更快；

(2) 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大時(shí),隨著剪切速率的增大,高濃度磁流變液的剪切應(yīng)力總是大于低濃度磁流變液的剪切應(yīng)力,尤其當(dāng)鐵粉體積分?jǐn)?shù)大于30%之后,磁流變液的剪切應(yīng)力大幅度增大,但當(dāng)鐵粉體積分?jǐn)?shù)小于25%,其對(duì)剪切應(yīng)力的影響效果甚微；

(3) 由圖7(b)(H=186 kA/m)可知,當(dāng)n=100/s時(shí),樣品MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(30%Fe)和MRF4(35%Fe)的剪切應(yīng)力都達(dá)到最大值,分別是6.954 、 7.124、14.3、26.18 kPa；由圖7(c)(H=250 kA/m)可知,當(dāng)n=100/s時(shí),剪切應(yīng)力最大值分別是7.482、8.137、15.57、31.33 kPa。對(duì)比數(shù)據(jù)可知,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于186 kA/m后,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大,磁流變液剪切應(yīng)力的增大程度減小,磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)剪切應(yīng)力的影響效果減弱。由于測(cè)量?jī)x器所能施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高只能加載到250 kA/m,因此H>250kA/m后的數(shù)值無(wú)法測(cè)量,但由曲線趨勢(shì)看出,MRF4(35%Fe)的剪切應(yīng)力在H=250 kA/m之后仍在增大。

3　結(jié)論

(1) 增大羰基鐵粉體積分?jǐn)?shù),會(huì)增大磁流變液的零場(chǎng)黏度、降低沉降率,從而提高其沉降穩(wěn)定性。

(2) 在固定磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下,隨著剪切速率的增大,高濃度磁流變液的剪切應(yīng)力總是大于低濃度磁流變液的剪切應(yīng)力。

(3) 在固定剪切速率的情況下,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大,高濃度磁流變液的剪切應(yīng)力也總是大于低濃度磁流變液的剪切應(yīng)力。

(4) 根據(jù)不同用途可以選擇不同組分的磁流變液,其中鐵粉體積分?jǐn)?shù)為35%的磁流變液具有更高的穩(wěn)定性,更大的剪切應(yīng)力,可以很好地應(yīng)用于磁流變阻尼器件[12]、減振器件等。

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Effect of different volume fraction of carbonyl-iron-powder on properties of magneto-rheological fluid

Zhang Huahui, Luo Mingqiang, Li Donghui, Zhong Yongfang, Bu Decai

(College of Physical Science and Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

Taking carboxyl iron powders as magnetic particles, dimethyl silicon oil as carrier fluid and dodecyl-Na2SO4as surfactant, the nano-SiO2and polyvinylpyrrolidone as additive, the four magneto-rheological fluids with different volume fraction of carboxyl iron powders were preparaed by the stir dispersion method. The sedimentation stability, zero-field viscosity and rheological properties of the four magneto-rheological fluids were tested and analyzed by the natural observation method and MCR-301 rotational rheometer. The results indicate that MR fluid which volume fraction of iron powder is 35% has the lowest sedimentation ratio which is 8.6%, and has the largest shear stress which is 31.33 kPa, but its zero-field viscosity is much larger than others, which is 4.4 Pa·s. And it won’t appears harden phenomenon after 2 months’ standing. However, MR fluid which volume fraction of iron powder is 20% has the highest sedimentation ratio which is 17.7%, it has the minimal zero-field viscosity which is 0.8 Pa·s and the minimal shear stress which is 7.48 kPa. It will be slightly hardened after 2 months’ standing. And it can be re-dispersed in carrier fluid by gentle stir. In the field of engineering, the usage results of MR fluid with larger volume fraction of iron powder will be better.

magneto-rheological fluid; carbonyl-iron-powder; sedimentation ratio; zero-field viscosity; rheological property

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.018

2015- 10- 29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51077006)；遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201511258028)；大連大學(xué)教改項(xiàng)目(2013G3-139)；大連大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014093)

張華輝(1995—)，男，河南信陽(yáng)，本科生

E-mail：13052756016@wo.cn

部德才(1972—)，男，黑龍江寧安，在職博士研究生，講師，主要從事等離子體技術(shù)制備納米功能材料.

E-mail：caizi1108@163.com

O361.3

A

1002-4956(2016)4- 0061- 04